[ 導讀 ] 提出一種新的基于nRF2401射頻芯片和MSP430單片機的腕帶式有源電子標簽設計，包括硬件匹配電路設計、天線設計以及軟件編程設計。

　　0引言

 　　射頻識別(FRID)技術作為物聯網的一個核心技術，因其廣泛的應用性及其帶來的經濟效益，正在各個領域發揮著重要的作用。它是一種非接觸式自動識別技術，能穿透雪、冰、霧、涂料、塵垢等條形碼無法使用的惡劣環境，通過無線射頻方式對目標進行自動識別和數據信息獲取。

　　其基本工作原理并不復雜，主要有兩種方式：

 　　1)電感耦合(Inductive Coupling)。依據電磁感應定律，一般工作在較低頻段。對于無源標簽(PassiveTag,或被動標簽)，本身沒有供電電壓，標簽進入磁場后，接收讀卡器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量來喚醒芯片使之工作，并與讀卡器進行數據交換。

 　　2)電磁后向散射耦合(Backscatter Coupling)。屬于雷達原理模型，工作在較高頻段。

 　　有源標簽(Active Tag，或主動標簽)自主向閱讀器發送某一頻率的信號，閱讀器讀取信息并解碼后，送至控制器進行數據處理。

 　　按照發射頻率的不同，IUID系統可以分為低頻(135kHz以下)、高頻(13.56MHz)、超高頻UHF(860~960MHz)和微波(2.4GHz以上)等幾大類。其中，低頻和高頻的系統目前應用較為廣泛。而超高頻和微波的識別距離遠，這兩種頻段的RFID系統具有更廣闊的應用前景。另外，有源式RFID系統的速寫能力，可用于流程跟蹤和監控定位等領域。

　　1硬件電路設計

　　1.1微控制器電路設計

 　　MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RjSC)的混合信號處理器。它將多個不同功能的模電、數電模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供單片解決方案。該系列單片機在需要電池供電的便攜式儀器儀表中應用比較廣泛。

　　MsP430單片機的特點如下：

 　　(1)處理能力強：16位數據處理能力;指令系統精簡、功能強大;尋址方式豐富;內含大量寄存器以及片內數據存儲器可以參加多種運算等。

　　(2)運算速度快：能在25MHz晶體的驅動下，實現指令周期達40ns.

 　　(3)超低功耗：電源電壓采用1.8~3.6V,可使其在1Ⅻz的時鐘下運行時，芯片最低電流在165 uA左右，刪保持模式下的最低電流只需O.1 u A;時鐘系統豐富，可以在指令的控制下打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。另外，有五種低功耗模式(LPM0~LPM4)。

 　　(4)片內資源豐富：如看門狗、模擬比較器、定時器、12C、SPI、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位ADC、16位Σ。△ADC、DMA、實時時鐘(IHc)、I/O端口和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。片內資源豐富帶來的直接好處，就是大大減少了外圍電路的需要。

 　　另外，MSP430系列單片機的中斷源較多，可任意嵌套且使用靈活方便。當系統處于低功耗模式時，中斷喚醒只需5 u s。

 　　對于FLASH型的MSP430系列單片機，片內集成了JTAG模塊和可電擦寫的FLAsH存儲器，用戶在開發時先下載程序到FLAsH內，然后經過JTAG接口由仿真器實現對CPU仿真調試。全部JTAG接口只有很少的7根引腳。其中，除掉電源和地，有5根引腳需要與單片機相連，分別是TD0、TDl、TMS、TCK和RST。

 　　仿真器的選擇要和調試軟件配合。本項目的開發采用IAR的Embedded Wbrkbench作為開發環境，并配有MSP430-JTAG仿真器，能實現如下功能：

　　1)程序下載;

　　2)斷點設置;

　　3)現場觀察與修改寄存器的值。

 　　標簽的微控制器選用MSP430F110lA,具有如下功能：5種省電模式;喚醒時間小于6 u s;16位精簡指令集，125ns指令周期;16位定時器A;片上比較器;串行在線編程;lkB+128B Flash Memory和128B RAM等。

　　MSP430F110lA接線圖如圖1所示：

圖1 MSP430F110lA接線圖

 　　為單片機提供的晶振為32.768kHz;引腳8~16為控制線(P1.0~P1.3,P2.0~P2.4)，與射頻芯片nRF2401相連;引腳l、7、17~20為JTAG連接線。

　　其中，引腳1 TEST可以不連;引腳7為單片機的復位腳，一直處于高電平。

　　1.2射頻模塊

 　　nRF2401是射頻收發芯片，工作于2.4~2.5GHz,芯片內置功率放大器、低噪聲放大器、頻率合成器、先入先出堆棧區、調制器和晶體振蕩器等功能模塊，工作狀態通過編程進行配置。芯片功耗低，正常工作電流為18mA,以一5dBm的功率發射時，工作電流僅為10.5mA,并設計有多種低功率工作模式。

　　nRF2401適用于多種無線通信的場合，主要特點如下：

　　·最高數據傳輸速率達lMbps,可設置125個頻道;

　　·所有工作參數通過軟件設置完成;

　　·供電電壓為1.9~3.6V,滿足低功耗設計需要;

　　·片內設置專門的穩壓電路，對電源要求不苛刻;

　　·可以通過軟件設置達40位地址，只有收到本機地址時才輸出數據;

　　·內置cRC糾錯、檢錯硬件電路和協議;

　　·DuoCeiver技術可以同時接收兩個頻道的數據。

 　　另外，由于nRF2401的內設如此豐富，所需要的外圍電路很少，使用起來非常方便。QFN24引腳封裝，外形尺寸只有5×5mm.nRF240lA擁有24個引腳，其詳細的引腳功能可查看芯片手冊。

　　這里將重點介紹n甜您401一些比較重要的引腳：

　　·CE:nI江2401的發送/接收模式選擇端;

　　·DRl他R2:頻道l/2接收準備好信號輸出端;

　　·DAlWDOUT2:頻道1/2收發數據端;

　　·CLKl/CLK2:傳送數據時鐘輸入端、頻道1/2 接收數據時鐘輸脯出端;

　　·CS:I心2401的配置模式選擇端;

　　·PWR UP:芯片激活端。

圖2 nRF2401匹配電路

 　　nRF240l的匹配電路如圖2所示。C1和C2為電源濾波電容;芯片外接16MHz晶振;PwILuP、CE、CS等控制線與微控制器相連;對于天線電路，要求在甜汀l和ANT2兩個引腳間加入微分電路。

 　　PCB設計對射頻系統的性能影響很大，所以PCB設計十分關鍵。在進行PCB設計時，必須考慮電磁干擾的問題，注意調整電容、電阻和電感的位置，特別要注意電容的位置。

　　PCB設計要點如下：

 　　(1)一般為雙層板。底層為地層，一般不放置元件;頂層的空余地方都敷銅，并盡可能多的放置通孔，這些敷銅通過通孔與底層的地相連，使頂層與底層的地能夠充分接觸;

 　　(2)應盡量第一時間將高頻分量濾掉，并且為了使要濾除的分量所形成的環路盡量小，天線匹配電路部分的元器件靠得越緊越好;

　　(3)電源濾波電容盡量靠近ⅧD引腳。

 　　射頻模塊nRF2401的PCB圖如圖3所示。圖3 a)為PCB頂層，圖3 b)為PCB底層，它們都需要大面積鋪銅，且放置盡可能多的通孔。

圖3 nRF2401PCB設計

　　2天線設計

 　　由于本項目需要設計一種尺寸小、工藝簡單、成本低的天線，使之能夠在2.45GHz射頻設備上正常使用，所以四分之一波長(根據天線原理四分之一波長，能夠很好地調節阻抗匹配問題，具有較高的輻射效率)的單極天線是一種很好的解決方案。它與設備在同一塊PCB板上被印刷出來，便于設計和后期微調。

　　單極天線必須一端接地平面，另一端形成一個單終結點，其長度則是由天線的諧振頻率決定的。

 　　由于單極天線的增益帶寬范圍很廣，所以對天線的長度要求并不是非常苛刻。但與其他天線一樣，這個增益會隨著天線周圍參數，比如材質、天線與地平面之間的距離、地平面大小和板材厚度等的改變而變化，所以對于每一個設備都需要對天線做微調以獲得最佳的性能。

 　　設備制版采用FR4基材，厚度為1.6mm.查得在2.45GHz頻段下其介電常數和損耗率分別為4.4和O.02.波長公式如式(1)：

 　　式中，c為光速3×1 08m/s,廠為載波頻率2.45GHz,可以得到實際在天線介質上的波長應為12cm,從而天線的長度決定為波長的四分之一，也就是3cm左右。

 　　本項目設計一種彎形天線，全長28mm,寬度1.27衄，并且與地平面距離為1lmm,實測通信距離可達70m。標簽天線設計如圖4所示。

圖4 標簽天線設計

　　3軟件編程設計

　　3.1工作模式的配置

　　nRF2401有工作模式有四種，由PWR Im、CE和CS三個引腳決定，如表1所示。

表1 nRF2401工作模式

 　　(1)收發模式：有ShockBurstTM收發模式和直接收發模式兩種，由器件配置字決定。

 　　(2)配置模式：1 5字節的配置字被送到nRF2401,通過CS、CLKl和DArA三個引腳完成。

 　　(3)空閑模式：只剩下部分片內晶振仍在工作，工作電流不超過32 u A;配置字內容仍保持在nRF2401片內。

 　　(4)關機模式：所有晶振停止，工作電流最小，一般小于l Il A;配置字內容仍然保持在nRF2401片內，這也是與斷電狀態最大的區別。

 　　nRF2401通過CS、D腳rA和Cu三個引腳來完成其配置工作。本系統采用ShockBurstTM收發模式，這種模式配置簡單，性能穩定。配置字長144位，18個字節(最高3字節不可配置，保留)，其中16~119位共1 3字節用來配置ShockBurstrIM收發模式，分為以下四個部分：

 　　(1)數據寬度：聲明射頻數據包中數據占用的位數，這使得nRF2401能夠區分接收數據包中的數據和CRC校驗碼;

 　　(2)地址寬度：聲明射頻數據包中地址占用的位數，這使得nRF2401能夠區分地址和數據;

　　(3)地址：接收數據的地址，有通道1和通道2的地址;

　　(4)CRC:使nRF2401能夠生成CRC校驗碼和解碼。

　　配置字的最低一位用來配置接收或發送狀態。

 　　需要注意的是，在配置模式下要保證PWR UP引腳為高電平，CE引腳為低電平;配置字從最高位開始，依次送入nRF2401;在CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。

 　　在ShockBurstTM收發模式下，使用片內的先入先出堆棧區，數據從微控制器低速送入(250kb/s1,然后高速發射(1Mb/s)，這樣是為了盡可能的節能，因此，即使使用低速的微控制器也能獲得很高的射頻數據發射速率;與射頻協議相關的所有高速信號處理都在片內進行，數據在空中停留時間短、抗干擾性好，也減小了整個系統的平均工作電流。

 　　另外，在該模式下，nRF2401會自動處理字頭和CRC校驗碼。發送數據時，自動加上字頭和CRC校驗碼;接收數據時，又自動把字頭和CRC校驗碼移去。

　　3.2數據收發程序設計

　　ShockBurstTM發射程序流程圖如圖5所示。

圖5 ShockBurstTM發送模式流程圖

　　ShockBurstTM發射需要接口引腳CE、CLKl、DATA,步驟如下：

　　(1)當MCU有數據要發送時，把CE置高，使nRF2401進入發送模式;

　　(2)把接收機地址和數據通過DATA匹配CLKl時序寫入nRF2401的FIFO;

　　(3)MCU把CE置低，使nRF2401進行ShockBurst發射;

 　　nRF2401的ShockBurstTM發射，包括給射頻前端供電;射頻數據打包(加字頭、CRC校驗碼);高速發射數據包。發射完成后，nRF2401進入空閑狀態。

　　ShockBurst接收程序流程圖如圖6所示。

圖6 ShockBurstTM接收模式流程圖

　　ShockBurstTM接收需要接口引腳CE、DRl、CLKl和DAl除，步驟如下：

　　(1)微控制器把CE置高，進入接收狀態;

　　(2)延時200 u s,nRF2401進入監視狀態，等待數據包的到來;

　　(3)接收到可識別的數據包后，nRF2401自動把字頭、地址和CRC校驗位移去;

　　(4)nRF2401把DRl置高(引起微控制器中斷)通知微控制器;

　　(5)微控制器把數據從nRF2401讀出;

　　(6)所有數據讀取完畢后，DRl置低。

　　3.3低功耗程序設計

 　　標簽要考慮到電池更換周期的問題，所以需要一種盡可能省電的程序設計。MSP430F1101A中有五種省電模式，如表2所示。

表2 MSP430F1101A省電模式

 　　ACLK為單片機的輔助時鐘系統，是專為低功耗而設計的。它可以用一個32.768l(Hz的低功耗外部晶振進行配置，為系統提供一個穩定的時間基準和低功耗空閑操作，從而保證最佳的低功耗性能。所以由表2可知，LPM3模式完全符合設計要求。

 　　標簽采用單片機的定時器A來定時發送數據，在空閑時系統則處于LPM3省電模式。定時器設置為增模式，累加到TACCR0后歸零。

　　標簽的程序流程圖如圖7所示：

圖7 標簽程序流程圖

　　4實驗結果

 　　本項目設計的腕帶式電子標簽，為一個直徑為4cm的圓，為了減小體積，把多余的一部分切除，十分適合裝入模具內，就像手表一樣可以佩戴在手腕上;開發成產品后，上面的JTAG仿真口也可以切除，標簽的體積也隨之更小。實物圖如圖8所示。

圖8 標簽實物圖

 　　經測試，用兩個普通的3V紐扣電池，在一直工作的狀態下，可以連續使用3個月左右。根據不同的應用場合，可通過程序來控制標簽的收發策略，更改標簽工作的頻率和時間，使得續航時間大大增加。

 　　用相同的設計方案設計一個基于nRF2041的RFID閱讀器，天線選用2.4G的橡膠天線，用于接收標簽發出的數據。實測通訊距離可達70m。丟包率如表3所示：

表3 不同距離下的丟包率

　　5結論

 　　本文設計的一種基于射頻芯片nRF2401和MSP430單片機的新型腕帶式電子標簽，具有體積小、性能穩定、工作距離遠且功耗低等優點。該標簽可以廣泛用于遠程監控、定位識別、自動簽到等各種領域，對物聯網前端感知系統的研究和發展具有重要的現實意義。

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